JP4589929B2 - 格子流下液膜脱揮塔 - Google Patents

Description

本発明は、重力駆動流下液膜脱揮塔に関し、特に膜表面が連続して再生される高比表面積を有する格子流下液膜脱揮塔に関する。

脱揮は、化学産業において、液相から気相へ揮発性物質を転送するための重要な工程である。脱揮の効率を改善する主たる方法は以下の通りである。
１．脱揮システムの温度を上げる。
２．気相における揮発分の分圧を下げる。
３．気相、液相間のインタフェースを増大する。
４．インタフェースを頻繁に再生する。

脱揮システムの温度は、工程条件により制約される。すなわち、脱揮装置の動作圧を制御するか、または不活性ガスをキャリアとして採用することにより、気相内の揮発分の分圧を低減してもよい。一方、気液インタフェースの拡大およびインタフェースの再生は、主として脱揮塔の構造に依存する。

現在、産業上の動作において様々な種類の脱揮装置がある。特に、管内流下液膜脱揮装置や流下液柱（液滴）脱揮装置は、かなり大きな気液インタフェースも提供できるが、これらはほとんど再生されず、滞留時間は制御不可能であり、不十分な滞留時間のため、脱揮効率も悪影響を受ける可能性がある。

単一/二重軸および多重ディスク（メッシュ）攪拌器を有する水平脱揮装置は、ある程度まで効果的にインタフェースを再生し、液面を調整することによって滞留時間を制御することができるが、この構造は、必要以上に複雑であり、製作および動作のコストが高い。膜被覆面積を保証するために、このような脱揮装置の底部には、十分な深さの液層を維持しなければならない。その場合、静水頭は、脱揮効率に悪影響を与えることになる。
中華人民共和国特許第ZL９７１２１６５４．１号明細書

本発明の目的は、気液インタフェースが大きく、膜再生が効果的であり、すべての材料が薄膜状態であり、構造が簡単で、しかも製作および動作コストがあまりかからない新規な格子流下液膜脱揮塔を提供することである。

本発明の新規な格子流下液膜脱揮塔は、本発明者による先行の中国特許第ZL９７１２１６５４．１号「ポリエステル用格子平板型重縮合塔」をさらに変更して開発したものであるが、元の重縮合塔とは明らかに異なる構造を呈し、より広い範囲の粘度および流量の膜被覆面積を保証し、より安定した性能およびより広い範囲の応用を特徴とする。これは、新たな脱揮塔が製造されたものと考えられる。

本発明による新規な格子流下液膜脱揮塔は、塔ハウジング（１）と、液体分配器（２）と、塔芯（３）とを備える。前記塔ハウジングは、一般に円筒形であるが、低圧で応用する場合には、正方形または長方形の断面を有することも可能である。これは、脱揮動作の工程要件として、望ましい温度および圧力環境を提供する機能を果たす。

塔ハウジングは、フランジを介して接続された上部カバー（１−１）と、塔本体（１−２）と、塔底部（１−３）とを備えるか、または塔本体および塔底部は、一体部分として製作することが可能である。前記上部カバーは、供給口aと、排気口ｃとを備える。前記塔底部は、材料排出口ｂを備える。

上部カバーと、塔本体と、塔底部とは、断熱ジャケットまたは外部コイルで被覆され、少なくとも１対の熱媒入り口ｄと出口eとをそれぞれ備える。しかも、上記ノズルの他に、様々な器具または他の必要な接続部を取り付けることも可能である。

前記液体分配器は、上部カバーの下方または塔本体の上部内で、しかも供給口と接続して配置され、第１の格子トレー上で均等に塔内に供給される材料を分配する機能を果たす。

上記塔芯は、一般に正方形断面を有するが、同様に長方形または他の形状であってもよく、支柱（３−１）と、多重格子トレー（３−２）とから構成される。塔芯は、大きな膜表面を材料から形成し、その膜表面を連続して再生する機能を果たす。前記塔芯は、一般にＬ形鋼、または他の鋼形状から構成され、塔芯の正方形または長方形断面の角部に立設された４個の支柱を備えてもよい。

支柱（３−１）の上部に設けられたハンガー（３−１−１）は、塔本体（１−２）の上部に固定された支持ブラケット（１−２−１）に搭載され、ボルトで固定されており、塔芯は、塔ハウジング内に簡単に取り外しできるように実装されている。支柱（３−１）の低部には、位置決めブロック（３−１−２）が設けられており、塔ハウジングの低部には整合ストッパ（１−２−２）が設けられており、温度変化につれて金属材料が伸縮することにより塔ハウジング内の塔芯を上下に摺動させながら、塔芯の底部の揺動を制限する。

塔芯の前記格子トレーの数は、工程要件につき望ましい膜再生の回数に依存し、一般に２ないし５００であり、好ましくは５ないし２００である。各格子トレーは、一対のビーム（３−２−１）と、複数個（少なくとも２個）の格子バー（３−２−２）と、対応する案内部材（３−２−３）とを備える。

格子トレー内の支柱、ビーム、格子バーおよび案内部材の一般的ユニット構造を、図２に示す。前記ビームは、格子トレーの対向する側面に配置され、この格子トレー上のビームは、同一水平面に配置され、溶接またはボルトで支柱に固定されている。２個の隣接する格子トレー内のビームは、平行に、または９０度で交差して配置されている。

層間隔と呼ばれる、隣接する格子トレーの水平高さの差は、通常、２０ないし５００ｍｍ、好ましくは４０ないし２５０mmの範囲であり、それぞれの隣接する格子トレー間の層間隔は、等しくてもよいし、等しくなくてもよい。各格子トレー内の格子バーの数は、脱揮システムの流量および粘度ならびに塔の寸法に依存し、格子バーはビームに垂直である。

各格子トレーは、水平および平行に配置された単一、二重、または多重段の格子バーを備えてもよい。格子バーは、三角形または薄い金属片を曲げることによって形成できる逆V字型の断面を有することも可能であり、また円形もしくは菱形の管を採用してもよく、他の断面形状であってもよい。最外部の格子バーは、傾斜面または大きい垂直面を呈する屈曲片（３−２−２’）として形成され、格子トレー内の液面を維持するためのバッフルとなる。格子バーは、溶接または穴あきビームへの挿入により、ビーム上に固定される。

前記格子バーの幅および高さは、その剛性に依存し、格子バーの可撓性が許容範囲を超えないように保証するために、格子バーが長くなればなるほど、格子バーの幅および高さ（主として高さ）も増大させるべきである。格子間隙と呼ばれる２個の隣接する格子バー間の間隙幅は、脱揮効率を決定する重大な要因の一つであり、粘度、表面張力、材料中の揮発分の濃度、流量、動作圧等のパラメータを考慮して計算することによって、または実験によって決定されるべきものである。

高粘度、高流量の環境では、格子バーは、格子トレー内で少なくとも２段に配置して、処理能力を改善することが可能である。その間、上段および下段の格子バーの幅は、等しくてもよいし、異なってもよい。材料中の粘度または気体分が前記脱揮装置内で大きく変化した場合、各段の格子バーの幅および数、またはそのいずれかは、間隙の幅を変化させるように上部から底部にかけて徐々に調節するべきである。

前記案内部材は、案内ワイヤーメッシュ（３−２−３−１）と、案内ワイヤーメッシュを固定するためのクランプ（３−２−３−２）とから構成される。案内ワイヤーメッシュは、金属ワイヤ、織物金属ワイヤ、金属薄板、穴あき金属薄板、または金属薄板を切断し伸張して形成することが可能な菱形開口を呈するエキスパンデッドメタルメッシュであってもよい。

前記脱揮塔内で加熱もしくは放熱が望ましい場合、案内ワイヤーメッシュは図３に示すように、対面式に２枚の波形薄板を接合し、これらを突き合わせ溶接で固定して形成された管アレイを採用することも可能であり、また加熱または冷却媒体をそこに導入することも可能である。案内ワイヤーメッシュは、より低い動作温度で、プラスチック等の非金属材料で構成することも可能である。

案内部材は、２個の隣接する格子バー間で、その格子バーに平行に配置され、対応するクランプがビームと溶接されるか、または穴開きビームに挿入されてそれらを固定する。最外部のクランプ（３−２−３−２’）は、他のものよりも高く引き伸ばされ、格子トレー内に液面を維持するためのバッフルとなる。もしくは、案内ワイヤーメッシュは、クランプのない状態で、格子バーの下に直接固定できる。

脱揮動作の柔軟性をさらに増大するために、本発明は、オーバフロー膜形成機構を提供し、ここではクランプが格子バーの両側に配置されて格子漏斗を構成し、オーバフロー堰としての働きをする。液体の流量または粘度が低い場合、液面はクランプの上端よりも低く、材料は、格子バーとクランプとの間の間隙を介して流れ落ち、案内ワイヤーメッシュに沿って膜を生成するのみである。

流量または粘度が増大すると、材料の一部がクランプから溢れ出し、クランプの外側に沿って流れ落ち、材料が格子バーとクランプとの間隙を通過する状態で集中して、案内ワイヤーメッシュに沿って膜を生成する。この構成において、前記脱揮塔は、より広い範囲の流量および粘度に適合可能であり、より高い動作柔軟性が達成される。

各格子トレーでは、材料は重力で格子間隙を通過し、案内部材に沿って膜を生成し、それによって高度の脱揮インタフェースが得られる。

インタフェースを再生するために、２個の隣接する格子トレーを以下の構成で配置することも可能である。

A． 格子トレーを平面視で同一方向に配置して、上段および下段の格子バーを膜間隔または漏斗間隔の半分だけ互い違いに配列する。
１．各格子トレー内の格子バーは、図４に示すように、一段で同一方向に配置する。
２．各格子トレー内の格子バーは、図５に示すように、二段で同一方向に配置する。
３．格子トレーが同一方向に配置されるオーバフロー膜形成機構に対しては、以下のようなさらなる３つの構造がある。
１）各格子トレー内の格子バーは、図６に示すように、二段で配置され、格子漏斗は下段に配置され、上段の格子バーの幅は、その下の２個の格子漏斗間の間隔以上である。
２）図７に示すように、上部格子バーの段を除去するとともに、格子漏斗と格子漏斗との間隔を、１つの格子漏斗の幅よりも小さくする。
３）上部格子バーの段を除去するとともに、隣接する格子漏斗の案内ワイヤーメッシュの低部を、図８に示すように互いに傾斜させる。

B. 隣接する格子トレーは、交差するように配置する。
１．図９に示すように、各格子トレー内の格子バーは一段で配置し、隣接する格子トレー内の格子バーは、交差するように配置する。
２．図１０に示すように、各格子トレー内の格子バーは二段で配置し、隣接する格子トレー内の格子バーは、交差するように配置する。
３．隣接する格子トレーが交差するように配置されるオーバフロー膜形成機構に対しては、図１１に示すように、各格子トレー内の格子バーは二段で配置され、上段の格子バーの幅は、その下の２個の格子漏斗の間隔以上である。

C． 構成AおよびBの混成
本発明によって提供された脱揮塔は、以下のように動作する。

材料が、塔の上部の供給口aを介して塔内に供給され、液体分配器を介して均一に第１の格子トレーに流下し、その後、格子バーの間隙を通過して案内ワイヤーメッシュに沿って膜を生成する。その膜は、第２の格子トレー内の格子バーによって調節され、材料が第２の格子トレー内の、格子間隙（２個の隣接する格子バー間の間隙幅）を通過して第２の格子トレーにおける案内ワイヤーメッシュに沿って膜を生成する。材料が、最も低い格子トレー内の格子間隙を通過して塔底部まで流下し、その後、材料排出口ｂを介して塔から出るまで、再度、第３の格子トレー内の格子バーによって膜が調節され、材料が第３の格子トレー内の格子間隙を通過して、案内ワイヤーメッシュに沿って膜を生成する。

工程中に膜表面から逃げた気体は、液膜間の狭い空間を通過し、塔ハウジング（１）と塔芯（３）との間の弧状領域を通って上昇し、塔の上部に集まり、その後、排気口ｃを介して塔から出る。

各格子トレー内の膜表面は、以下のように再生される。
１．構成A
格子トレーの案内ワイヤーメッシュに沿って下る液膜は、下方の格子トレーの格子バーの角点でまっすぐに落ちるため、２個の半体に分割される。その後、２個の近隣の膜から成る２個の隣接する半体はそれぞれ、その間の格子間隙に集中し、その後、格子間隙を通過して案内ワイヤーメッシュに沿って膜を生成する。上記分割および集中工程の間、２個の隣接する膜の２個の対面する表面層が下方の膜の中心部に設けられ、一方、膜の中心部は、２個の隣接する下方の膜の表面層として現れ、膜表面が再生される。
２．構成B
格子トレー内の液膜は、隣接する格子トレー内の液膜に対して垂直であるため、材料は、長さおよび幅を介して適当に混合され、膜表面が再生される。

本発明の格子流下液膜脱揮塔は、粘度が０．２mＰａ・ｓないし２０００Ｐａ・ｓの液体の脱揮に適用可能であり、石油化学、特に化学製品、薬物および食品産業等の広い範囲の応用にも採用することができる。従来の脱揮塔と比較すると、本発明の脱揮塔には以下の利点がある。
１．脱揮インタフェースが大きく、材料の単位体積あたりの脱揮面積がより広い。
２．インタフェースが十分に再生される。
３．動作の柔軟性がより優れており、脱揮効率がより高い。
４．様々な応用が可能であり、粘度が０．２mＰａ・ｓないし２０００Ｐａ・ｓの材料の脱揮に使用できる。
５．デッドゾーンや軸方向のバックミキシングは存在しない。
６．全ての材料が薄膜形状であるため、静水頭の脱揮効率への悪影響がなくなる。
７．構造が簡単であり、メンテナンスが容易であり、製作および動作コストがあまりかからない。

以下の実施例は、本発明をさらに例示するためのものであるが、本発明の請求の範囲は以下の実施例に限定されない。
実施例１： 高粘度ポリエステルのための最終的重縮合塔
塔は、直径１６００ｍｍ、高さ８０００ｍｍである。塔芯の大きさは、１０００ｍｍｘ １０００ｍｍ ｘ ６０００ｍｍであり、オーバフロー膜形成方法で交差するように配置された８０層の格子トレーを備える。最上部の２個の格子トレーの層間隔は、１５ｍｍであり、最底部の格子トレーの層間隔は、３７．５ｍｍである。塔に導入されたプレポリマーは、固有粘度０．３、温度２８５度、流量２，５００ｋｇ/時である。塔内の圧力は、１００Ｐａである。塔から出るポリマーの固有粘度は、０．８５まで増大する。
実施例２： エチレン酸化物の水溶液からのＣＯ ₂ の脱揮
ＣＯ₂の脱揮は、装置の腐食を防止するために、エチレン酸化物の水和反応の前に実施するべきである。

脱揮塔は、直径１０００ｍｍ、高さ７５００ｍｍである。塔芯の大きさは、６２０ｍｍ ｘ ６２０ｍｍ ｘ ５０００ｍｍ であり、上記構成Ｃのように混成方式で配置された８０層の格子トレーを備える。層間隔は、８ｍｍである。２％のＣＯ₂を含有するエチレン酸化物の溶液を、塔内に送られ、温度は４０度であり、流量は６０，０００ｋｇ/時である。塔内の圧力は、０．１３５ＭＰａである。塔から出るエチレン酸化物の溶液内のＣＯ₂は、完全に除去される。

図１は、格子流下液膜脱揮塔の構造を示す断面図である。 図２は、格子トレー内の支柱、ビーム、格子バー、案内部材のユニット構造を示す略図である。 図３は、管アレイの形状の案内ワイヤーメッシュの略図である。 図４は、格子トレーが同一方向に配置され、各格子トレー内の格子バーが一段で配置された各格子トレーにおける格子バーの構造を示す略図である。 図５は、格子トレーが同一方向に配置され、各格子トレー内の格子バーが二段で配置された各格子トレーにおける格子バーの構造を示す略図である。 図６は、オーバフロー膜形成機構の構造を示す略図であり、各格子トレーにおける格子バーは二段に配置されており、格子漏斗は低い方の段に配置され、隣接する２個の格子トレーは、同一方向に配置されている。 図７は、オーバフロー膜形成機構の構造を示す略図であり、各格子トレーの格子バーは一段に配置されており、隣接する２個の格子トレーは、同一方向に配置されている。 図８は、オーバフロー膜形成機構の構造を示す略図であり、各格子トレーにおける格子バーは一段に配置されており、隣接する格子トレーは、同一方向に配置されており、隣接する格子漏斗における案内ワイヤーメッシュの低い方の部分は、互いに傾斜している。 図９は、格子バーが一段に配置された各格子トレーと、交差するように配置された隣接する格子トレーの格子バーの構造を示す略図である。 図１０は、格子バーが二段に配置された各格子トレーと、交差するように配置された隣接する格子トレーの格子バーの構造を示す略図である。 図１１は、隣接する格子トレーにおける格子バーが交差するように配置されるオーバフロー膜形成機構の構造を示す略図である。

Claims (10)

1. 塔ハウジング（１）と、液体分配器（２）と、塔芯（３）とを備える格子流下液膜脱揮塔において、
   前記塔ハウジングは、円形、正方形または長方形の断面を有し、前記塔芯は、支柱（３−１）と、多数の格子トレー（３−２）とを備え、４個の支柱は、正方形または長方形の断面を有する塔芯の４個の角部にそれぞれ立設され、塔ハウジング内には、１個または平行に複数個の塔芯が配置されており、格子トレーの数は２ないし５００であり、２個の隣接する格子トレーの層間隔は、２０ないし５００ｍｍであり、各格子トレーは、一対のビーム（３−２−１）と、複数個の格子バー（３−２−２）と、対応する案内部材（３−２−３）とを備え、前記ビームは、同じ高さの水平面において格子トレーの対向する側面に配置されて支柱に固定され、前記格子バーは、前記ビームに垂直に固定され、一段、二段または多段で平行に配置されており、前記格子バーの断面は、三角形、薄い金属片を曲げて形成した逆Ｖ字型、円形または菱形であり、前記案内部材は、案内ワイヤーメッシュ（３−２−３−１）と、案内ワイヤーメッシュを固定するためのクランプ（３−２−３−２）とを備え、２個の隣接する格子バーの間の格子間隙で、前記格子バーに平行に配置されており、対応するクランプは、前記ビームに固定され、格子トレー内の最外部の格子バーは、傾斜面または大きい垂直面を呈する屈曲片（３−２−２’）として形成され、それらは、格子トレー内の液面を維持するためのバッフルとしての働きをするか、または前記格子トレー内の最外部の案内部材のクランプが、他のものよりも高く延長され、格子トレー内の液面を維持するためのバッフルとしての働きをすることを特徴とする格子流下液膜脱揮塔。
2. 支柱（３−１）の上部にはハンガー（３−１−１）が設けられており、塔本体（１−２）の上部には支持ブラケット（１−２−１）が設けられており、前記ハンガーは、前記支持ブラケットに搭載されてボルトで固定され、その結果、前記塔芯（３）が前記塔ハウジング内に搭載され、前記支柱の低部には位置決めブロック（３−１−２）が設けられ、前記塔芯の底部の揺動を制限するために前記塔本体の低部には、整合ストッパ（１−２−２）が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の格子流下液膜脱揮塔。
3. 前記多数の格子トレー（３−２）の数は５ないし２００であり、２個の隣接する格子トレーの層間隔は、４０ないし２５０ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の格子流下液膜脱揮塔。
4. 前記２個の隣接する格子トレーにおける格子バーは、以下の態様で配置される、すなわちａ）平面視で同一方向に配置されるが、上段および下段の格子バーが、膜間隔の半分だけ互い違いに配列される、ｂ）平面視で上段および下段の格子バーが９０度で交差する、ｃ）ａ）とｂ）の態様の混成であることを特徴とする請求項１に記載の格子流下液膜脱揮塔。
5. 前記案内ワイヤーメッシュは、金属ワイヤ、織物金属ワイヤ、金属薄板、穴あき金属薄板、エキスパンデッドメタルメッシュ、管アレイまたは非金属メッシュであり、前記案内ワイヤーメッシュは、格子の下方で直接固定してクランプを除去することが可能であることを特徴とする請求項１に記載の格子流下液膜脱揮塔。
6. 前記管アレイは、２個の波形薄板を対面式に接合して、それらを突き合わせ溶接で固定し、そこに加熱または冷却媒体を導入することによって形成されることを特徴とする請求項５に記載の格子流下液膜脱揮塔。
7. 前記クランプが格子バーの両側に配置されて格子漏斗を構成し、前記クランプがオーバフロー堰としての働きをする、オーバフロー膜形成機構を採用することを特徴とする請求項１に記載の格子流下液膜脱揮塔。
8. ２個の近隣の格子漏斗にそれぞれ属する２個の隣接するクランプの上方に格子バーが配置され、前記格子バーの幅が、その下の２個のクランプの間隔以上であり、２個の隣接する格子トレーにおける前記格子漏斗（または格子バー）は９０度で交差するか、または同一方向に配置され、一方、前記格子漏斗（または格子バー）がその間隔の半分だけ互い違いに配列されることを特徴とする請求項７に記載の格子流下液膜脱揮塔。
9. 前記２個の隣接する格子トレー内の格子漏斗が、平面視で同一方向に配置されるが、格子漏斗の間隔の半分だけ互い違いに配列され、２個の近隣の格子漏斗に属する２個の隣接するクランプの間隔が、その格子漏斗の２個のクランプの間隔より小さいか、または２個の近隣の格子漏斗に属する２個の隣接する案内ワイヤーメッシュの低部が互いに傾斜することを特徴とする請求項７に記載の格子流下液膜脱揮塔。
10. 前記格子トレーにおける格子バーは、前記格子トレー内の格子間隙の幅が上から下に向かって徐々に増大するように配置されることを特徴とする請求項１に記載の格子流下液膜脱揮塔。

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